УПРАВЛЕНИЕ ПОЛЯРИЗАЦИЕЙ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ С ПОМОЩЬЮ ИЗМЕНЕНИЯ АНИЗОТРОПИИ ПРЕЛОМЛЕНИЯ БРУСКА КВАРЦЕВОГО СТЕКЛА

В последнее время наблюдается высокая интенсификация разработок и исследований в области лазерных технологий. Это вызвано развитием сегмента оптической передачи данных и оптического волокна, что, в свою очередь ведёт к повышению пропускных способностей телекоммуникационных сетей.

Также активно развивается технология передачи данных на небольшие расстояния с помощью лазерного излучения.

Лазерная связь осуществляется соединением типа «точка-точка» на скорости, равной 155 Мбит/сек. В компьютерных и телефонных сетях лазерная связь обеспечивает обмен информацией в режиме полного дуплекса. Для приложений, не требующих высокой скорости передачи (например, для передачи видеосигнала и сигналов управления в системах технологического и охранного телевидения), имеется специальное экономичное решение с полудуплексным обменом. [5]

Когда требуется объединить не только компьютерные, но и телефонные сети, могут применяться модели лазерных устройств со встроенным мультиплексором для одновременной передачи трафика ЛВС и цифровых групповых потоков телефонии (Е1/ИКМ30).

Лазерные устройства могут осуществлять передачу любого сетевого потока, который доставляется им при помощи оптоволокна или медного кабеля в прямом и обратном направлениях. Передатчик преобразует электрические сигналы в модулированное излучение лазера в инфракрасном диапазоне с длиной волны 820 нанометров и мощностью до 40 мВт. В качестве среды распространения лазерная связь использует атмосферу. Затем лазерный луч попадает в приемник, имеющий максимальную чувствительность в диапазоне длины волны излучения. Приемник производит преобразование излучения лазера в сигналы используемого электрического или оптического интерфейса. Так осуществляется связь с помощью лазерных систем.

Данный вид связи имеет ряд недостатков. Во-первых, лазерный луч распространяется строго прямолинейно, поэтому приёмник и передатчик должны быть в зоне прямой видимости. Во-вторых, лазерный луч сильно подвержен атмосферным помехам, таким как туман, облака и другие. [3]

Модуляция сигнала в подобных системах связи строится на базе оптических модуляторов разного принципа действия: ОМ может изменять во времени амплитуду (интенсивность), частоту, фазу или состояния поляризации излучения. В данной работе рассматривается метод модуляции с помощью изменения плоскости поляризации света, а также предлагается метод осуществления данного процесса. [1, с. 211]

В оптике и связи наиболее широкое применение имеют плёночные поляризаторы, называемые также дихроичными поляроидами. В процессе изготовления в эластичную полимерную плёнку встраиваются длинные дихроичные молекулы, после чего плёнка растягивается. Ориентированные беспорядочно, молекулы стремят сориентироваться в соответствии с направлением растяжения, что и придаёт устройству поляризационные свойства. [2]

Однако такие поляризаторы довольно хрупки и обладают низкой механической и термической прочностью. По этой причине они не годятся для использования с интенсивным лазерным излучением.

Альтернативой данному виду поляризаторов могут служить кварцевые пластины с разностью хода ʎ/2 и ʎ/4, однако они требуют высокой точности изготовления и показывают хорошие результаты только в ограниченной спектральной области.

Чтобы преодолеть обозначенные выше барьеры мы предлагаем использовать явлению анизотропию преломления, возникающую при упругой деформации бруска кварца при сжатии его в компактном механическом прессе.

Кристалл кварца SiO₂ является оптически одноосным кристаллом с малой областью пластической деформации. Это гарантирует, что при сжатии при пластической деформации кристалл не потеряет свою оптическую однородность.

Будем сжимать кристалл вдоль оптической оси, следя при этом за изменением показателя преломления. До нагружения кварци имел два главных показателя преломления n₀ и n_e. После нагружения новые показатели преломления  и находятся по формулам:

Где:

 и  – компоненты матрицы пьезооптических коэффициентов;

 – компонента тензора механического напряжения. [4, с. 2366]

Рисунок 1. Рассчитанные изменения показателей преломления кварца в зависимости от приложенного напряжения. 1 - обыкновенный луч, 2 - необыкновенный луч. Стрелки показывают область разрушения кристалла при сжатии.

То есть, изменяя силу, действующую на кристалл при сжатии, можно менять разность хода лучей внутри кристалла, а, следовательно, управлять его поляризацией. Изменяя поляризацию, в свою очередь, мы можем модулировать сигнал, который формируется лазерным излучением, и закладывать и шифровать в излучении любую информацию.

Для осуществления процесса управления авторами подразумевается использование компактного механического пресса, которым будет осуществляться сжатие бруска плавленого кварца. Также планируется разработать несколько вариаций на тему приложения механического напряжения, таких как винтовой сжимающий механизм, ударным механизмы, рычажной механизм и другие. Рассматривается возможность создания программы для управления и автоматизации процесса модуляции, а также возможность использования других методов воздействия для изменения анизотропии кристалла и последующей модуляции сигнала. Ведётся разработка шифрующего устройства на основе данного устройства.

Список литературы:

1. Бутусов М.М., Галкин С.Л., Оробинский С.П. Волоконная оптика и приборостроение // Л.: Машиностроение – 1987 – С. 211-220;
2. Всё о звуке [электронный ресурс], сайт – URL: http://www.uzo.matrixplus.ru/booksvet-034.htm (дата обращения: 04.12.2016)
3. Лазеры в светотехнике – светодиоды [электронный ресурс], сайт – URL: http://ledstaff.ru/las-09.htm (дата обращения: 04.12.2016);
4. Носов Ю.Г. Можно ли оптически одноосный кристалл сделать оптически изотропным // Физика твёрдого тела – 2011 – том 53, вып. 12 – С. 2366-2367;
5. СвязьКомплект [электронный ресурс], сайт – URL: https://skomplekt.com/articles/laser_con.htm/ (дата обращения: 04.12.2016).